用OpenGL绘图
这一章摘自这本书
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章的目标
读完本章，你将能够:
- 识别OpenGL中可用的所有渲染原语。
- 初始化和填充用于渲染几何图形的数据缓冲区。
- 优化渲染使用先进的技术，如实例化呈现。
OpenGL的主要用途是将图形渲染到帧缓冲区中。为了实现这一点，复杂的对象被分解成原语-点、线和三角形，当以足够高的密度绘制时，会产生2D和3D物体的外观。OpenGL包含许多用于渲染这些原语的函数。这些函数允许您描述内存中原语的布局，要呈现多少个原语，以及它们采用什么形式，甚至可以通过一个函数调用呈现同一组原语的多个副本。这些可以说是OpenGL中最重要的功能，因为没有它们，你将无法做很多事情，只能清除屏幕。
本章包括以下主要部分:
- “OpenGL图形原语”描述了OpenGL中可用的图形原语，你可以在渲染中使用。
- “OpenGL缓冲区中的数据”解释了在OpenGL中处理数据的机制。
- “顶点规范”概述了如何使用顶点数据进行渲染，以及如何使用顶点着色器进行处理。
- “OpenGL绘图命令”介绍了一组导致OpenGL绘图的函数。
- “实例渲染”描述了如何使用相同的顶点数据高效地渲染多个对象。
OpenGL图形原语
OpenGL包括对许多基本类型的支持。最终，它们都被渲染为三种类型之一——点、线或三角形。线条和三角形类型可以组合在一起形成条形、环状(用于线条)和扇形(用于三角形)。点、线和三角形是本地的大多数图形硬件支持的基本类型。1OpenGL支持其他基本类型，包括补丁，它们被用作tessellatator和邻接原语它们被设计用作几何着色器的输入。第9章介绍了镶嵌(和镶嵌着色器)，第10章介绍了几何着色器。补丁和邻接基本类型将在这些章节中详细介绍。在本节中，我们只讨论点、线和三角形基本类型。
点
点由单个顶点表示。顶点表示四维空间中的一个点齐次坐标。因此，点实际上没有面积，因此在OpenGL中，它实际上是显示器(或绘制缓冲区)的正方形区域的模拟物。当渲染点时，OpenGL使用一组规则来确定哪些像素被点覆盖光栅化规则。在OpenGL中栅格化点的规则非常简单——如果样本落在窗口坐标中以点的位置为中心的正方形内，则认为它被点覆盖。正方形的边长等于点的大小，这是固定的状态glPointSize ())，或者写入gl_PointSize顶点、镶嵌或几何着色器的内置变量。写入的值gl_PointSize只有当GL_PROGRAM_POINT_SIZE被启用时，才会在着色器中使用，否则它将被忽略并设置固定状态值glPointSize ()使用。
默认的点大小是1.0。因此，当点被渲染时，每个顶点本质上成为屏幕上的单个像素(当然，除非它被剪切)。如果增加点的大小(用glPointSize ()，或将大于1.0的值写入gl_PointSize)，那么每个点顶点可能最终点亮一个以上的像素。例如，如果点的大小为1.2像素，并且点的顶点正好位于像素中心，那么只有该像素将被照亮。然而，如果点的顶点正好位于两个水平或垂直相邻的像素中心之间，那么这两个像素都将被照亮(即两个像素将被照亮)。如果点的顶点位于四个相邻像素之间的中点，那么所有四个像素都将被点亮——一个点总共有四个像素被点亮!
点精灵
当你用OpenGL渲染点时，片段着色器会为点中的每个片段运行。每个点本质上是屏幕的一个正方形区域，每个像素都可以用不同的颜色着色。你可以在碎片着色器中分析计算颜色，或者使用纹理来遮蔽点。为了帮助实现这一点，OpenGL片段着色器包括一个特殊的内置的变量被称为gl_PointCoord它包含当前片段所在点内的坐标。gl_PointCoord仅在片段着色器中可用(在其他着色器中包含它没有多大意义)，并且仅在渲染点时具有定义值。只需使用gl_PointCoord作为纹理坐标的来源，可以使用位图和纹理来代替简单的正方形块。结合alpha混合或丢弃碎片(使用丢弃的关键字)，甚至可以创造点精灵形状奇怪。
我们将通过一个例子重新审视点精灵。如果你想跳过，可以参考第346页的“Point Sprites”。
线，条和环
在OpenGL中，术语行指线段，而不是数学家在两个方向上延伸到无穷大的版本。因此，单独的直线由顶点对表示，每个顶点代表直线的端点。线条也可以连接在一起，以表示一系列相连的线段，并可选择关闭。闭序列称为a行循环，而开放序列(不闭合的序列)称为a线带。与点一样，线在技术上没有面积，因此使用特殊的光栅化规则来确定线段光栅化时应该点亮哪些像素。线光栅化的规则被称为菱形出口规则。它在OpenGL规范中有详细介绍。然而，我们试图在这里解释一下。当栅格化一条从a点到B点的线时，如果这条线穿过在屏幕上像素的正方形区域内绘制的菱形形状的假想边缘，则应该点亮一个像素-除非该菱形包含点B(即，线的末端在菱形内)。这样，如果从B点到C点绘制另一条线，B所在的像素只被点亮一次。
菱形退出规则足以满足细线，但OpenGL允许您使用glLineWidth ()函数(等价于glPointSize ()行)。
没有等价物gl_PointSize对于线条——线条在OpenGL中以固定的宽度渲染，直到状态改变。当线宽大于1时，简单地复制该线宽度乘以水平或垂直。如果这行是y-major(即，它的垂直延伸比水平延伸更远)，它是水平复制的。如果是的话x-major然后垂直复制。
OpenGL规范在如何表示线的末端以及在关闭抗锯齿时如何栅格化宽线方面有些自由。当开启抗混叠时，线条被视为沿直线对齐的矩形，宽度等于当前线条宽度。
三角形，条形和扇形
三角形由三个顶点的集合组成。当渲染单独的三角形时，每个三角形都独立于所有其他三角形。三角形是通过将三个顶点中的每一个投影到屏幕空间并在边缘之间形成三条边来渲染的。如果一个样本位于所有的正侧，则认为它是被覆盖的一半的空间由顶点之间的直线形成的。如果两个三角形共享一条边(因此是一对顶点)，则不能在两个三角形内考虑单个样本。这一点很重要，因为尽管OpenGL规范允许光栅化算法的一些变化，但管理共享边缘上的像素的规则相当严格:
- 两个三角形之间的共享边缘上的任何像素都不应该被照亮。
- 两个三角形之间的共享边缘上的像素不应该被一个以上的三角形照亮。
这意味着OpenGL将可靠地栅格化具有共享边缘的网格，在三角形之间没有间隙，并且没有透支。2这在光栅化三角形时很重要条或球迷。当一个三角形条被渲染时，前三个顶点形成第一个三角形，然后每个后续顶点与前一个三角形的最后两个顶点一起形成另一个三角形。这在图3.1。
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图3.1。三角形带的顶点布局
渲染三角形扇形时，第一个顶点形成一个共享点，该点包含在每个后续三角形中。然后使用共享点和接下来的两个顶点形成三角形。一个任意复杂的凸多边形可以渲染为三角形扇形。图3.2显示三角形扇形的顶点布局。
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图3.2。三角形风扇的顶点布局
这些基本类型将由下一节将要介绍的绘图函数使用。它们由OpenGL令牌表示，这些令牌作为参数传递给用于渲染的函数。表3.1显示了原始类型到用来表示它们的OpenGL令牌的映射。
表3.1。OpenGL原始模式令牌
原始类型 |
OpenGL的令牌 |
点 |
GL_POINTS |
行 |
GL_LINES |
线带 |
GL_LINE_STRIP |
行循环 |
GL_LINE_LOOP |
独立的三角形 |
GL_TRIANGLES |
三角形带 |
GL_TRIANGLE_STRIP |
三角形的粉丝 |
GL_TRIANGLE_FAN |
将多边形渲染为点、轮廓或实体
一个多边形有两面——正面和背面——并且可能根据哪一面面向观看者而呈现不同的效果。这允许你有固体物体的剖面图，在里面和外面的部分之间有一个明显的区别。默认情况下，前面和后面都有脸都是以同样的方式画出来的。若要更改此设置，或仅绘制轮廓或顶点，请使用glPolygonMode ()。
反转和剔除多边形面
按照惯例，调用顶点在屏幕上以逆时针顺序出现的多边形前置。你可以构造任何“合理的”固体的表面——数学家会把这样的表面称为可定向流形(球体、甜甜圈和茶壶都是可定向的;克莱因瓶和Möbius条则不是)——来自方向一致的多边形。换句话说，你可以使用所有顺时针多边形或所有逆时针多边形。
假设你一直在描述一个可定向表面的模型，但碰巧它的外部是顺时针方向。你可以通过使用这个函数来交换OpenGL认为的背面glFrontFace ()，为正面多边形提供所需的方向。
在一个由不透明多边形构成的完全封闭的表面上，没有一个背面的多边形是可见的——它们总是被正面的多边形掩盖。如果你在这个表面之外，你可能会启用剔除来丢弃OpenGL确定为背面的多边形。类似地，如果你在对象内部，只有背面的多边形是可见的。要指示OpenGL放弃正面或背面的多边形，使用命令glCullFace ()并启用筛选glEnable ()。
先进的
用更专业的术语来说，决定一个多边形的面是正面还是背面取决于在窗口坐标中计算的多边形面积的符号。计算这个面积的一种方法是
在哪里x我和y我是x和y的窗口坐标我th的顶点n-顶点多边形，其中我⊕1是(的缩写)我+ 1) modn，其中mod是模数运算符。
假设已经指定了GL_CCW，如果一个> 0，则认为该顶点对应的多边形是正面的;否则，它是背面的。如果指定了GL_CW，如果一个< 0，则对应多边形为正面;否则，它是背面的。